At finde nye typer 2D materialefejl kan muliggøre bedre elektronik

Todimensionelle materialer er afgørende for udvikling af nye ultrakompakte elektroniske enheder, men at producere fejlfrie 2D-materialer er en udfordring. Imidlertid, opdagelse af nye typer defekter i disse 2D-materialer kan give indsigt i, hvordan man kan skabe materialer uden sådanne ufuldkommenheder, ifølge en gruppe af Penn State-forskere.

"2D-materialer er spændende nye materialer til elektronik, og fordi de er så tynde, de gør det muligt at krympe enheder til meget små størrelser, " sagde Danielle Reifsnyder Hickey, Penn State assisterende forskningsprofessor i materialevidenskab og teknik. "Dette er afgørende for at gøre elektronik mere kraftfuld, så den kan håndtere flere data. det er en kæmpe udfordring at dyrke perfekte 2D-materialer over områder, der er store nok til at kunne lave store arrays af højkvalitetsenheder."

Reifsnyder Hickey og teamet af Penn State-forskere har opdaget nye typer defekter, der giver spor til en måde at skabe fejlfrie 2D-materialer på. Undersøgelsen dukkede for nylig op i Nano bogstaver .

"Vi fandt nye defekter, der er på Angstrom-skalaen, på en tiendedel af en nanometer, og vi var i stand til at korrelere atomstrukturen til meget store skalaer, ved flere mikrometer, " sagde Nasim Alem, Penn State lektor i materialevidenskab og teknik og undersøgelsens tilsvarende forfatter.

Holdet studerede defekter i monolagsfilm af wolframdisulfid dyrket af forskergruppen af ​​Joan Redwing, professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. Wolframdisulfid tilhører en klasse af 2D-krystaller kendt som overgangsmetal dichalcogenider, som er tre atom-tykke krystaller, der har egenskaber, der gør dem ideelle til udviklingen af ​​fremtidens elektronik.

"2D materiale monolag har andre egenskaber end bulk krystaller, " sagde Reifsnyder Hickey. "F.eks. de har direkte båndgab og kan derfor bruges som meget små transistormaterialer, og deres krystalsymmetri muliggør nye typer enheder baseret på øgede grader af frihed i forhold til deres bulk-modstykker."

Et direkte båndgab er en ideel funktion til at excitere en elektron til en ledende energitilstand for at tillade strømning af elektricitet. Halvlederteknologi, for eksempel, er afhængig af manipulation af elektronisk ladning på denne måde. For nylig, spin og dalens frihedsgrader har også vist lovende i 2D-materialer og kan manipuleres for at muliggøre nye typer enheder. For eksempel, at orientere flere spins i et materiale kan føre til magnetisme, og fordeling af elektroner mellem forskellige lokale minimums- og maksimumsenergitilstande – dale – der besidder den samme energi, men som forekommer med forskellige momentumværdier, kan muliggøre nye måder at behandle og lagre information på. En nøgle til at frigøre potentialet i disse egenskaber er at dyrke defektfri film, som kun kan opnås ved at identificere og forstå atomare defekter, som blev opnået i dette arbejde.

De defekter, holdet opdagede, er kendt som translationelle korngrænser, som forekommer ved grænsefladen mellem to krystallitter, der har samme orientering, men en translationsforskydning. Typisk, korngrænser forbinder korn med uens orientering og kan påvirke materialets egenskaber såsom termisk og elektrisk ledningsevne, mindske deres værdi for elektronik. For at undersøge de usædvanlige translationelle korngrænser, holdet brugte en kombination af scanning transmission elektronmikroskopi billeddannelse og en ReaxFF reaktiv kraftfelt simulering. ReaxFF blev udviklet af Adri van Duin, en anerkendt professor i maskinteknik i Penn State, som også deltog i undersøgelsen.

Forskningen fandt, at de identificerede translationelle korngrænser eksisterer som subtile, men udbredte ufuldkommenheder i monolagsfilmene.

"Gennem en synergistisk tilgang, vi var i stand til at forklare vores eksperimentelle resultater ved hjælp af simuleringer og afdække vækstmekanismen, der fører til en sådan mikrostruktur, " sagde Alem. "Dette er et vigtigt skridt, fordi ved at lære den underliggende fysik af vækst og defektdannelse, vi kan lære at ændre og kontrollere dem, og dette vil have en dybtgående effekt af krystallens elektroniske egenskaber."

Forbedring af materialet ville føre til bedre elektronik, ifølge Reifsnyder Hickey.

"Denne undersøgelse opdagede eksperimentelt strukturerne og brugte teori og simulering til at korrelere deres dannelse med vækstbetingelserne, " sagde Reifsnyder Hickey. "Nu, vi vil gerne implementere det, vi har lært, så disse forskydninger i korn kan elimineres for at danne ægte enkeltkrystallinske film, der er store nok til fremragende elektronik. Vi vil også gerne udforske egenskaberne ved disse og relaterede atomare defekter."

At være i stand til at producere forbedret elektronik baseret på wolframdisulfid monolagsfilm med minimale defekter er gode nyheder for et stadig mere visuelt samfund, ifølge Reifsnyder Hickey.

"For et par årtier siden, det var uhørt at se en video på en telefon, " sagde Reifsnyder Hickey. "Men nu, vi forbruger en masse information visuelt, især med videoer, herunder nyheder, kommunikation og underholdning. Fordi elektronik er blevet så kraftfuldt, vi er i stand til nemt at bære de enheder, der muliggør dette, i vores lommer. Vores resultater kan føre til en ny generation af sådanne enheder."

Andre Penn State forskere involveret i undersøgelsen inkluderer Nadire Nayir, Mikhail Chubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian og Vincent H. Crespi.